富水強風化巖區(qū)域隧道變形規(guī)律現(xiàn)場測試分析

黨 丁

中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司

1 引言

隧道穿越山嶺丘陵地帶，不可避免地從溝谷斜坡-低山地貌區(qū)經(jīng)過。而溝谷附近通常有水或者人為水利結(jié)構(gòu)，這給隧道的修建帶來了不小的麻煩，另外隧道穿越溝谷斜坡-低山地貌區(qū)時通常處于淺埋的狀態(tài)，上層覆土為雜填土，粉質(zhì)黏土，強風化巖，透水性良好，故在此類隧道的修建過程需進行防范，防止強風化巖遇水失穩(wěn)，以期對隧道結(jié)構(gòu)造成的影響降低到最小。例如：安康某隧道處于千枚巖地層中，地表、地下水系發(fā)育，隧道開挖的過程中通過監(jiān)控量測，時刻掌握圍巖變形信息，最終安全通過富水區(qū)域[1]。關(guān)于隧道穿越強風化巖層時隧道變形規(guī)律，國內(nèi)外學者對此類問題的研究大多集中在理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場工程測試等研究手段。任文峰等依靠土工試驗并借助相關(guān)設(shè)備對寨子崗隧道圍巖變形及壓力、水平收斂、圍巖與初期支護間壓力、初期支護與二次襯砌間壓力進行了量測，揭示了富水全風化花崗巖地區(qū)隧道圍巖變形規(guī)律與力學特性。鄒翀等人依托興旺峁隧道富水全—強風化砂巖區(qū)段的施工實際工程，總結(jié)了施工過程中采用的關(guān)鍵技術(shù)。依托黃江1 號隧道穿越溝谷斜坡-低山地貌區(qū)實際工程，在隧道修建過程中通過監(jiān)控量測探究富水強風化巖區(qū)域隧道變形規(guī)律，所得結(jié)論以期為隧道支護設(shè)計修正、優(yōu)化和經(jīng)驗積累提供參考。

2 工程概況

黃江1號隧道位于廣東省河源市龍川縣黃布鎮(zhèn)松陽村附近，為分離雙洞隧道，測設(shè)線間距約21.8m～29.5m，長度約550m，屬于中隧道。隧道位于溝谷斜坡-低山地貌區(qū)，右側(cè)存在兩個魚塘，隧道進出口端山坡坡度較陡，巖體風化嚴重，通過鉆孔揭示地層從上到下分別為：粉質(zhì)黏土、碎石土、中-強風化巖體。隧道進出口段，隧道淺埋，圍巖主要為粉質(zhì)黏土和全、強風化層中，局部中風化，土質(zhì)松散，巖質(zhì)軟，裂隙發(fā)育，巖石風化變質(zhì)作用強，遇水易軟化，地形坡度和巖面坡度陡，自穩(wěn)性差。地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，水量較小，雨季水量較大，開挖易變形坍塌，有滲漏水現(xiàn)象，應(yīng)進行加固補強，及時做好支護和防排水工作。

3 監(jiān)控量測布置

監(jiān)控量測是新奧法三大要素之一，通過多年的工程實踐可知通過監(jiān)控量測可以掌握圍巖的動態(tài)變化。當隧道開挖上臺階環(huán)形區(qū)域后，立鋼拱架時在拱頂、兩側(cè)拱肩位置洞周位移和拱頂下沉初支與圍巖間測點，噴射混凝土后，在初期支護上打設(shè)拱頂測點，其他測點及壓力盒在相關(guān)位置開挖后或支護結(jié)構(gòu)施作后設(shè)置，圍巖形變及受力測點布置按設(shè)計依步驟布置。

4 監(jiān)測結(jié)果分析

施工期間對多個布設(shè)斷面進行長時間的監(jiān)控量測，取得了諸多數(shù)據(jù)，從最終變形量來看，圍巖失穩(wěn)區(qū)域位于隧道進出口，從黃河一號左右線進出口選取典型斷面進行分析，左線進口ZK100+575、右線進口YK100+562、左線出口ZK101+100、右線出口YK101+110，探究富水強風化巖區(qū)域隧道變形規(guī)律。

4.1 洞周位移和拱頂下沉

在現(xiàn)場監(jiān)控過程中，洞口淺埋段是監(jiān)控的重點。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，如圖1所示，監(jiān)測時長較短時，左右線進出口拱頂累計沉降差距較小，隨著監(jiān)測時長增加，黃江1號隧道左右線出口段拱頂累計沉降整體呈增長趨勢，左右線進出口累計沉降差距較大，到監(jiān)測次數(shù)為23-27次時，左右線拱頂累計沉降值幾乎保持穩(wěn)定，而且右線出口段拱頂下沉值相對較大，右線出口YK101+110拱頂下沉累積達到34mm，其次是右線進口YK100+562，拱頂下沉累積達到29mm。相較于右線進出口累計沉降值，左線進出口拱頂累計沉降較小，左線出口ZK101+100 拱頂下沉累積僅為7mm，左線進口ZK101+575 拱頂累積下沉值為14mm，故施工中應(yīng)該加強對右線隧道監(jiān)控量測。對隧道周邊收斂施工監(jiān)測數(shù)據(jù)選取周邊收斂測線1進行分析，根據(jù)所選取的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，如圖1所示，黃江1號隧道右線出口YK101+110周邊累計收斂值最大，累計收斂值為21.1mm，而且左線進出口收斂明顯小于右線進出口，其中左線出口ZK101+100 累計收斂值僅為4.9mm。周邊收斂變形規(guī)律基本與拱頂下沉變形規(guī)律基本一致。結(jié)合監(jiān)控數(shù)據(jù)及現(xiàn)場施工情況，隧道圍巖變形趨勢從快速發(fā)展到逐漸平穩(wěn)，發(fā)展趨勢真實地反映了隧道實際的施工情況。拱頂下沉量主要集中在隧道每次開挖期間1-7d，從曲線發(fā)展歷程可知，拱頂下沉量除了在上臺階開挖時沉降量較大，在隧道下臺階及仰拱施工時會有小幅度的增長，仰拱閉合后變化趨于平穩(wěn)并逐漸穩(wěn)定。

究其原因，左右兩側(cè)洞口距離50m，巖性基本一致，強風化石英石巖，由于埋深較淺，地表雨水經(jīng)常滲入洞室，對圍巖造成侵害。右線進口處有兩個人工魚塘，以及排水溝渠存在一定量的地表水，再加上右線隧道進出口開挖時掌子面存在滲水，全風化巖遇水軟化，導致圍巖穩(wěn)定性變差。

4.2 初支與圍巖間壓力

從圍巖與初支接觸壓力監(jiān)測情況可看出，初期支護與圍巖間接觸壓力一般分布不均勻，施工掘進對右線隧道的影響較小，隨著監(jiān)測時長向前推移（即隨著掌子面向前施工掘進），圍巖與初支間壓力逐漸增加，并總體上趨于穩(wěn)定。在掌子面距離監(jiān)測斷面小于30m 時，土壓力增長迅速，超過30m 后壓力增長變緩，并逐漸趨于穩(wěn)定。監(jiān)測時間較短時，左線初期支護與圍巖壓力差別較小，隨著監(jiān)測時長的增加，右線初期支護與圍巖壓力快速增加，而左右線增速較小，監(jiān)測時長為25左右時，初期支護與圍巖壓力保持穩(wěn)定，另外，通過拱頂、兩側(cè)拱肩位置上壓力盒數(shù)值比較，拱肩位置大壓力處于拱頂位置的壓力。因此選取左右進出口四個斷面右側(cè)拱肩位置的壓力時程曲線進行比較。如圖1所示：右線出口YK101+110初支與圍巖間壓力最終值最大，超過了0.7MPa，右線進口YK100+562初支與圍巖間壓力最終值也接近0.7MPa，但這兩個斷面的增長趨勢并不相同，這一定程度上歸結(jié)于圍巖的擾動。

4.3 初支二襯間應(yīng)力

從斷面的監(jiān)測結(jié)果可知，隨監(jiān)測時長的增加，隧道左右線變化規(guī)律基本一致，監(jiān)測時長較短時，左右線初支與二襯間壓力變化曲線基本上保持同一規(guī)律，右線初支與二襯間壓力較左線大，隨監(jiān)測時長增加，左右線初支與二次襯砌間壓力逐漸增加，但增幅較初支與圍巖壓力增幅小，從斷面布設(shè)后約20天后監(jiān)測數(shù)據(jù)開始趨于穩(wěn)定。實測斷面數(shù)據(jù)顯示在右拱肩位置的初支混凝土應(yīng)力相對較大。提取右拱肩位置初支二襯間壓力盒數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)，壓應(yīng)力最大值為右線出口YK101+110，四個斷面壓應(yīng)力大小關(guān)系與初支與圍巖間壓力大小關(guān)系一致，但是發(fā)展歷程不一樣，這一定程度上取決于施工的擾動。從數(shù)值上分析最大值約為0.16MPa，屬于正常收斂范圍。

圖1 監(jiān)測斷面圍巖變形和應(yīng)力變化累計曲線

5 結(jié)論與建議

（1）圍巖形變監(jiān)測數(shù)據(jù)方面，黃江1號右線進出口段圍巖形變值相對較大，其中右線出口YK101+110 拱頂下沉累積達到34mm，從曲線發(fā)展歷程可知，拱頂下沉量除了在上臺階開挖時沉降量較大，在隧道下臺階及仰拱施工時會有小幅度的增長，仰拱閉合后變化趨于平穩(wěn)并逐漸穩(wěn)定。

（2）從圍巖與初支接觸壓力與初支二襯間應(yīng)力分析可知，隧道處于正常收斂階段，拱肩位置處壓力大于拱頂位置的壓力，右線出口YK101+110 初支與圍巖間壓力最終值最大，但從壓應(yīng)力發(fā)展歷程分析，發(fā)展歷程曲線不規(guī)律可歸咎于施工對圍巖的擾動。

（3）強風化石英石巖，由于埋深較淺，地表雨水經(jīng)常滲入洞室，對圍巖造成侵害。強風化巖遇水軟化，對圍巖穩(wěn)定性影響大。建議施工過程中注意排水，防止水侵入圍巖。在施工前注意做好降水工作，在掌子面滲水時，應(yīng)做好超前水探測，如果掌子面存在太多水的情況，處治施作后注意注漿。